Микрофонный эффект в сцинтилляционном гамма-спектрометре в условиях вибрационных воздействий на борту космического аппарата

Для регистрации элементарных частиц и гамма-квантов в научных исследованиях и промышленности широко используются сцинтилляционные детекторы. При прохождении элементарной частицы через регистрирующий объем сцинтилляционного детектора возникает световая вспышка в видимом или ультрафиолетовом диапазоне. Регистрация вспышки производится вакуумными фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), полупроводниковыми фотодиодами или так называемыми полупроводниковыми ФЭУ на основе лавинного фотодиода. На данный момент, несмотря на значительный прогресс в разработке полупроводниковых ФЭУ, в исследованиях по космической гамма- и нейтронной спектрометрии наиболее распространенными являются традиционные вакуумные ФЭУ.

Конструктивно ФЭУ представляет собой вакуумный корпус, внутри которого расположены фотокатод, анод и диноды. При попадании фотона от световой вспышки на фотокатод происходит испускание электрона, который ускоряется в электрическом поле и образует лавинный эффект при прохождении через диноды. На единичный фотон от вспышки в ФЭУ образуется лавина из ~107 электронов, которые регистрируются как электрический сигнал отсчета.

Одним из недостатков ФЭУ является его чувствительность к механическим и вибрационным нагрузкам. С точки зрения прочности, промышленность выпускает «усиленные» ФЭУ, которые не разрушаются при воздействии вибрационной нагрузки до 15 g и ударной нагрузки до 200 g . Однако некоторые применения, особенно в космических приборах, предусматривают работу детекторов в условиях постоянных вибрационных нагрузок, для чего обычные и даже усиленные ФЭУ могут быть не предназначены. При воздействии вибрационных нагрузок на работающий ФЭУ в нем может возникать переменное ускоряющее электрическое поле, что, как следствие, может приводить к возникновению электронного шума в измеряемом сигнале (так называемый микрофонный эффект). Более того, внутренняя конструкция ФЭУ каждого типа имеет собственные резонансные частоты механических колебаний. На этих частотах даже незначительные уровни внешней вибрации могут существенно повлиять на результаты измерений.

В данной статье рассмотрен конкретный пример влияния микровибрации на работу ФЭУ Hamamatsu R 1840 в составе прибора HEND ( High Energy Neutron Detector ), и определены уровни возникновения электронных шумов в измеряемом сигнале вследствие микрофонного эффекта. С учетом полученных результатов предложены конкретные пути решения этой проблемы при разработке перспективных приборов с ФЭУ для космического применения.

Микрофонный эффектв детекторах приборов HEND и БТН-М1

В отделе ядерной планетологии ИКИ РАН разработан ряд ядерно-физических приборов для научных космических аппаратов. С их помощью регистрируются нейтроны, заряженные частицы и гамма-излучение от поверхности планет и их спутников для определения элементного состава и наличия воды. Эти приборы были разработаны как для пилотируемой Международной космической станции (МКС), так и для автоматических межпланетных аппаратов и посадочных платформ [1, 2].

Особенностью работы орбитальных приборов является непрерывное измерение гамма-лучей и нейтронов для планетных исследований и наблюдения за солнечной активностью. Для измерения потока нейтронов и гамма-излучения используются сцинтилляционные детекторы на основе различных кристаллов (CsI, стильбен, LaBr3 и CeBr3) и с последующей регистрацией световых вспышек при помощи вакуумного ФЭУ. В то же время на борту любого космического аппарата имеются различные источники вибрационного шума (вентиляторы, гироскопы, механизмы поворота направленных антенн, солнечных батарей и пр). Если шумы от микрофонного эффекта в ФЭУ, вносимые бортовыми механизмами в условиях эпизодической работы, можно исключить в ходе наземной отработки с некоторой потерей объема научных данных, то источникам постоянного вибрационного воздействия, которыми являются вентиляторы и гироскопы, необходимо уделить особое внимание.

Для изучения микрофонного эффекта был проведен цикл экспериментальных работ по воздействию слабой вибрационной нагрузки на работающий ФЭУ. В качестве первого образца был выбран ФЭУ Hamamatsu R1840 в составе прибора HEND [2]. Этот тип ФЭУ хорошо зарекомендовал себя в условиях космического полета и имеет хорошие характеристики для регистрации сцинтилляционного излучения [3]. Прибор HEND был установлен на борту аппарата NASA Mars Odyssey в составе научного комплекса GRS и предназначен для измерения потока нейтронов от Марса в разных энергетических диапазонах. После успешного запуска этого космического аппарата в апреле 2001 г. второй летный образец прибора HEND было решено использовать в качестве блока детектирования аппаратуры БТН-М1, которая в настоящий момент установлена на Российском сегменте МКС [1]. Блок детектирования установлен на внешней стороне служебного модуля «Звезда» и позволяет получать экспериментальные данные, необходимые для изучения нейтронного альбедо верхней атмосферы Земли с учетом эффектов долготы и широты точки измерения, высоты орбиты, времени суток, условий солнечной активности и состояния атмосферы.

Приборы HEND и БТН-М1 содержат спектрометр с четырьмя независимыми детекторами нейтронов. Три детектора эпитепловых нейтронов ( SD, MD, LD ) представляют собой пропорциональные газовые счетчики на основе ³He. В качестве четвертого детектора нейтронов высоких энергий IN/SC используется детектор на основе органического сцинтиллятора из стильбена. Этот сцинтиллятор регистрирует нейтроны высоких энергий по вспышкам света от протонов отдачи.

При наземных испытаниях прибора HEND на борту космического аппарата Mars Odyssey было обнаружено, что в сцинтилляционном детекторе присутствуют шумы, которые многократно превышают уровень полезного сигнала. В результате анализа источника возникновения этого шума было выяснено, что он возникает вследствие микрофонного эффекта от слабых вибраций гиродина космического аппарата, находящегося в непосредственной близости от прибора. Время, оставшееся до запуска миссии, не позволяло произвести доработку прибора или смену его местоположения на борту. Также не было возможности подробно изучить условия возникновения шумов в зависимости от частоты вибрации. Поэтому было принято решение срочно изготовить и испытать специальные амортизирующие стойки по местам крепления прибора, которые демпфируют вибрационные воздействия на прибор в широком диапазоне частот. При реализации проекта БТН-М1 на борту Российского сегмента МКС блок детектирования также был установлен с использованием аналогичных амортизирующих стоек.

Однако потребности разработок перспективных приборов для будущих космических аппаратов поставили перед исследователями задачу по выяснению возможностей дальнейшего применения хорошо зарекомендовавших себя образцов ФЭУ Hamamatsu R 1840 в условиях микровибраций на борту. В связи с этим были проведены лабораторные исследования устойчивости образцов сцинтилляционных детекторов с указанным типом ФЭУ к возникновению микрофонного эффекта.

Лабораторные измерения устойчивости детекторов к микрофонному эффекту

Вибрационные испытания проводились на базе контрольно-испытательной станции в ИКИ РАН на вибростенде УВЭП-16000, а также на специально созданном стенде вибромеханических испытаний узлов бортовых космических детекторов в ИМАШ РАН. Вибростенд УВЭП-16000 имеет номинальный рабочий диапазон частот 5…2 500 Гц и при номинальной испытательной массе нагрузки 64 кг позволяет прилагать вибрационное воздействие амплитудой до 20 g . При синусоидальном воздействии аппаратура управления стенда позволяет задавать программу испытаний с необходимыми параметрами уровня воздействия, диапазона частот и времени испытания, которые выдерживаются автоматически. Основное отличие вибростенда ИМАШ РАН в номинальной нагрузке, которая составляет 5 кг, что позволяет точно выдерживать сверхмалые нагрузки (<0,1 g ). Для крепления прибора к вибростенду использовалась технологическая оснастка, изготовленная для вибрационных испытаний на этапе разработки приборов HEND и БТН-М1.

Аппаратура подвергалась синусоидальному вибрационному воздействию в диапазоне частот 100…1 000 Гц с разными уровнями нагрузок: 0,05 g , 0,1 g , 0,2 g и 0,3 g . Диапазон частот 100…1 000 Гц проходился по частоте несколько раз с временем одного прохода 30 мин. Прибор обладает собственной амплитудно-частотной характеристикой для передаточной функции вибраций, и поэтому уровень вибраций воздействия на плите стенда не соответствует уровню воздействия на испытываемом ФЭУ.

Чтобы учесть этот фактор, контрольный датчик амплитуды вибрационного стенда был установлен на приборе в непосредственной близости к ФЭУ (рис. 1).

Для испытаний был использован конструкторско-доводочный образец прибора HEND , подключенный к штатной контрольноиспытательной аппаратуре (КИА), которая обеспечивает прибор питанием и информационным обменом. Прибор был включен в научный режим работы и каждые 10 с передавал в КИА накопленные 16-канальные спектры отсчетов с детекторов. В ходе испытаний каждому спектру отсчетов, измеренному прибором, соответствовала текущая частота вибрационного воздействия.

В результате испытаний были получены результаты для уровней амплитуд вибраций 0,05 g , 0,1 g , 0,2 g и 0,3 g . (рис. 2).

Рис. 1. Конструкторско-доводочный образец прибора HEND на стенде вибрационных испытаний для изучения условий возникновения микрофонного эффекта. Указано место установки вибродатчика, определяющего амплитуду вибрации (1)

б)

в)

г)

Рис. 2. Темп счета фотоэлектронного умножителя Hamamatsu R1840 прибора HEND в зависимости от частоты вибрации в диапазоне частот 100…1000 Гц с амплитудами: а — 0,05g; б — 0,1g; в — 0,2g; г — 0,3g

Темп счета гамма-квантов соответствует нижнему уровню на графиках и составляет ~140 отсчетов в секунду. Из графиков видно, что ФЭУ Hamamatsu R 1840 уже при самом низком уровне вибрационного воздействия 0,05 g имеет значительное увеличение темпа счета на частоте в районе 340 Гц. Предположительно, данная частота связана с основной модой колебаний внутренней структуры ФЭУ. Эффект от второй гармоники этой частоты можно заметить в районе 700 Гц (рис. 2, а ). Очевидно, что на этих частотах даже незначительный уровень вибрационного воздействия <0,05 g приводит к значительным шумам, делая практически невозможными измерения гамма-лучей. Также при вибрационном воздействии с амплитудой 0,05 g заметно появление дополнительных резонансов в районе 400 и 450 Гц. При увеличении амплитуды от 0,05 g до 0,1 g и выше шумы от микрофонного эффекта не позволяют проводить измерения при частотах вибрационного воздействия, превышающих 300 Гц.

Дальнейшие исследования были направлены на поиск уровня вибрационного воздействия, при котором шумы на резонансной частоте 340 Гц полностью пропадают. При удержании частоты вибрации 340 Гц ее амплитуда постепенно уменьшалась до полного исчезновения шумов (рис. 3). Эксперимент показал, что шумы от микрофонного эффекта для ФЭУ Hamamatsu R 1840 при воздействии на резонансной частоте 340 Гц пропадают при уровне вибрации 0,03 g .

Рис. 3. Темп счета фотоэлектронного умножителя Hamamatsu R1840 прибора HEND при воздействии вибрации с частотой 340 Гц и амплитудами 0,082g (кадры 1–33); 0,067g (кадры 34–60); 0,051g (кадры 61–86); 0,049g (кадры 88–96); 0,042g (кадры 100–122); 0,03g (кадры 125–145)